分带跑步机行走时下肢关节活动的调节

《Journal of Biomechanics》：Lower limb joint work modulation during split-belt treadmill walking

　　

Zachary Zegub|Donald Prible|Hao-Yuan Hsiao

摘要

分带跑步机已成为研究运动学习及恢复步态障碍的重要工具。不过，分带跑步机如何改变下肢关节的机械负荷目前尚不清楚。明确这些负荷情况有助于判断分带跑步机训练是否适合不同的临床群体。在本研究中，我们比较了在固定速度跑步机和分带跑步机上行走时下肢关节的机械功以及地面反作用力。我们从20名在装有传感装置的双带跑步机上行走的年轻人身上收集了运动学和动力学数据。实验流程包括3分钟的基线行走阶段（两条带子速度均为1米/秒）、6分钟的适应阶段（左侧带子速度提升至2米/秒），以及3分钟的适应后阶段（左侧带子速度恢复到1米/秒）。我们计算了站立相期间踝关节、膝关节和髋关节在矢状面上的机械功。通过线性混合模型分析了适应阶段对关节机械功和地面反作用力的影响。从基线阶段到适应后期，快速侧的踝关节正机械功增加（p=0.025），慢速侧的髋关节正机械功显著增加（p<0.001）。此外，双侧膝关节的负机械功也有所增加（p<0.001）。我们还观察到快速侧的反作用力增大（p<0.001），慢速侧的第一峰值垂直地面反作用力也增大（p<0.001）。了解这些特定关节的负荷情况有助于指导分带跑步机训练的临床应用。

引言

分带跑步机能够在行走过程中产生肢体间的差异，这一特性帮助研究人员了解中枢神经系统在运动学习中的作用（Rossi等人，2024；Yang等人，2024）。对于中风后出现偏瘫的患者而言，分带跑步机可促使步长不对称性得到改善，而步长不对称性是与步态恢复相关的关键临床指标（Patterson等人，2008；Reisman等人，2007；Wang等人，2025）。在神经损伤康复者中，这种改善效果可持续三个月左右（Dzewaltowski等人，2021；Reisman等人，2013）。

将分带跑步机用于临床时，需考虑行走任务所带来的关节层面机械负荷。例如，中风后出现偏瘫的患者往往会出现步态异常，这是由于他们采取了代偿策略，从而导致行走时肌肉过度使用和疲劳（Massaad等人，2010）。这些缺陷可能影响患者的活动耐力、肌肉骨骼健康，进而降低康复效果（Kim等人，2016）。因此，如果分带跑步机训练进一步增加了受损关节的负荷，可能会阻碍步态恢复，甚至导致患者放弃康复计划（Farrokhi等人，2013）。在分带跑步机的不同速度切换阶段，其会带来独特的生物力学负荷。与适应后期相比，适应早期时，快速侧的踝关节在蹬地阶段、慢速侧在单腿支撑阶段的肌肉活动更为活跃（Finley等人，2013；Kratzer等人，2025）。此外，肢体间也存在差异：快速侧在推进阶段踝关节的力矩更大，而慢速侧在制动阶段膝关节的力矩更大（Roemmich等人，2012）。了解在分带跑步机与普通跑步机上行走时下肢关节机械负荷的差异，有助于选择合适的患者，同时也能帮助预判长期训练可能带来的肌肉骨骼健康问题（Griffin和Guilak，2005）。

关节机械功能够反映关节产生的或吸收的净能量，从而为我们了解这些负荷提供线索，而地面反作用力则可用于衡量关节所承受的外部冲击力。当关节需要做大量机械功时，其内部的接触力也会随之增大，进而增加机械应力。在临床上，这些机械负荷十分重要，因为在速度切换阶段（适应早期和适应后期），若应力发生突然变化，对于那些承受冲击或制动负荷能力较弱的人来说，可能会带来较大负担（Chodkowska等人，2024）。在步态训练过程中，如果反复面临较高的关节机械负荷，比如适应后期出现的那种负荷，就可能导致累积性应力（Hinkel-Lipsker和Hahn，2016；Krajewski等人，2021；Logerstedt等人，2022）。此前关于分带跑步机机械功的研究大多集中在腿部或单个关节的不对称性方面（Johnson等人，2025；Price等人，2025；Selgrade等人，2017a）。尽管这些研究为理解分带跑步机带来的不对称性以及快速侧肢体的适应策略提供了重要见解（Selgrade等人，2017b），但与普通固定速度跑步机行走相比，三个下肢关节两侧的机械功存在哪些差异，目前仍不完全清楚。

因此，本研究旨在探讨参与者在适应分带跑步机行走过程中，双侧踝关节、膝关节和髋关节机械功的变化情况。此外，我们还分析了垂直方向以及前后方向的地面反作用力，试图为观察到的关节机械功变化找到解释。先前的研究表明，随着行走速度的增加，推进动作主要由踝关节的跖屈肌完成，而站立初期的垂直支撑则由膝关节和髋关节的伸肌承担（Neptune等人，2008）。与固定速度跑步机行走相比，我们预计在分带跑步机的适应后期，由于推进和制动负荷的增加，快速侧的踝关节正机械功会升高，而慢速侧的膝关节负机械功也会增加。

章节要点

参与者

共有20名健康受试者参与了本研究（12名女性，8名男性；平均年龄：23.45岁±4.77岁，身高：1.70米±0.12米，体重：73.57公斤±13.04公斤）。所有参与者均无下肢肌肉骨骼损伤或神经系统疾病。在入组前，他们需通过电话或电子邮件筛选以确认符合研究要求。我们要求参与者能够至少在跑步机上行走12分钟，且没有使用过分带跑步机行走的经验。在本研究中，我们对

结果

所有参与者都在无需借助扶手的情况下完成了基线阶段和适应后期阶段的行走。有一些参与者在适应早期或适应后期的速度切换阶段短暂使用了扶手，为确保运动学数据的准确性，这些数据已被排除在分析之外。由于标记物遮挡的问题，有4名受试者的左侧（快速侧）髋关节功率数据无法获取，因此也被排除在最终统计分析之外。线性混合模型分析显示，存在

讨论

本研究比较了在不同适应阶段，固定速度行走（基线阶段）与分带跑步机行走时各关节层面的机械功以及地面反作用力情况。我们重点关注了适应后期阶段，因为这一阶段能反映分带跑步机训练过程中关节所承受的机械负荷。正如假设的那样，与基线阶段相比，适应后期阶段快速侧的踝关节正机械功增加，慢速侧的膝关节负机械功增加。地面反作用力分析结果也支持了这一发现，显示快速侧的

结论

本研究量化了在分带跑步机行走过程中各关节层面的机械功变化情况，结果表明，与基线行走相比，快速侧的踝关节和慢速侧的髋关节的正机械功增加幅度更大，而负机械功的增加则主要来自膝关节。快速侧踝关节的蹬地动作与慢速侧髋关节的正机械功相互配合，共同满足了分带跑步机行走时不对称的推进需求。此外，我们还观察到了膝关节的吸收功能有所增强

作者贡献说明

Zachary Zegub：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化分析，研究实施，正式分析，概念构建。Donald Prible：写作——审阅与编辑，验证，方法设计，数据整理，概念构建。Hao-Yuan Hsiao：写作——审阅与编辑，监督，项目管理。

未引用参考文献

Xu等人，2016年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。